高压直流输电技术的快速发展对输电系统中换流阀的容量和可靠性提出了更高的要求,而换流阀由上千只功率半导体器件(晶闸管和IGBT)组成并实现整流和逆变功能。这些大功率半导体器件由于自身阻抗的存在,在承担高电压和大电流的过程中,会产生严重的功耗发热问题。另外这些器件对温度极其敏感,因此为避免被烧坏,需要及时将这些热量转移出去。目前换流阀常采用高效的主动式水循环冷却系统。然而,由于换流阀复杂的电磁环境和严峻的发热考验,使得换流阀冷却系统装置庞大复杂,运行稳定和可靠性大大降低,另外还时常面临着杂质易堵塞管道易泄漏等诸多问题,并且其散热能力也接近其散热极限。为了从根本上解决换流阀冷却系统存在的诸多问题,本文提出了新型高效的相变冷却方案。相变冷却技术利用相与相之间转化时所携带的巨大相变潜热能,具有快速高效的能量转移优势,因而受到很多科研工作者的关注。首先从两相流理论模型的角度,本文选择了 Mixture方法和Lee模型源项相结合的方式,利用Mixture方法处理两相流的流动问题,利用Lee模型源项解决相变过程中两相之间的传热和传质问题。结合换流阀的阀串结构和相变冷却技术在其他领域的应用经验,本文搭建了相变冷却试验平台,在试验测试结果的基础上对Lee模型中的经验系数进行了修正,并对不同功率下的模拟计算结果和试验测试结果进行了对比分析,证明了所建立的半经验半理论模型的准确性与合理性。在综合分析前边计算和测试结果的基础上,选择了饱和温度更低的FC-72介质作为新的相变冷却工质,并从表面温度的均匀性、气相占比情况和对流热传导系数三个角度,分析了三种散热器结构的散热效果。对比分析三种散热器结构的散热效果后,优化选出了一种较有利于相变过程发生的结构。在所优化得到的结构模型的基础上,通过改变散热器入口温度、入口流速的大小,分析了散热器入口的边界条件对散热效果的影响,并为未来的工程应用提供了指导方案。另外根据功率器件在运行过程中常常面临的功耗浮动等情况,还模拟计算了不同功率下该散热器结构的散热响应性能,计算结果表明该散热器结构能够满足功率器件不同的运行工况要求。第五章总结了本文的创新点和不足之处,以及下一步需要改进的方向,为团队后续在功率器件相变散热方面的研究奠定了基础。